JP4736771B2 - Sound effect generating device, sound effect generating method, and computer program - Google Patents

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Description

本発明は、3次元仮想空間上でオブジェクト間の衝突や接触といったインタラクションが発生したときの効果音を生成する効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、仮想オブジェクト間のインタラクションが発生したときのリアリティのある効果音を、VRシステムで要求されるリアルタイム性を保ちながら生成する効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。   The present invention relates to a sound effect generating device, a sound effect generating method, and a computer program for generating a sound effect when an interaction such as collision or contact between objects occurs in a three-dimensional virtual space, and in particular, between virtual objects. The present invention relates to a sound effect generating device, a sound effect generating method, and a computer program that generate a realistic sound effect when the above-described interaction occurs while maintaining the real-time property required by the VR system.

3次元グラフィックス技術では、3次元の物体を無数のポリゴンの集合体すなわち近似的な数式モデルとして扱い、表面に材質感を表すテクスチャをマッピングし、さらには光源計算を行なってテスクチャに陰影や濃淡を付与することによって、リアルで3次元的な高精細画像を生成することができる。   In 3D graphics technology, 3D objects are treated as a collection of numerous polygons, that is, approximate mathematical models, textures that express the texture are mapped on the surface, and light source calculations are performed to create shadows and shades on the texture. By providing the above, it is possible to generate a real and three-dimensional high-definition image.

また、morphingやその他の手法を適用することにより、3次元物体のアニメーションをコンピュータ上で自動生成するコンピュータ・アニメーションの開発も盛んに行なわれている。最近では、レンダリング技術の進歩により、コンピュータ・アニメーションのリアリティは格段に向上し、コンピュータ・ゲームを始めとして、仮想現実感(Virtual Reality:VR)を利用した各分野において適用されている。   In addition, development of computer animation for automatically generating animation of a three-dimensional object on a computer by applying morphing and other methods has been actively performed. Recently, due to advances in rendering technology, the reality of computer animation has been greatly improved, and it has been applied to various fields using virtual reality (VR), including computer games.

コンピュータ・アニメーションの描画面でのリアリティが増す一方で、その他の要素、例えば、物体の動きや触感、音などに関しては、リアリティの向上に余地が残されている。また、VRシステムにおいて、処理の高速化とシステムへの適用方法が課題であり、その中でも重要な要件はリアルタイム性と高品質画像を両立させることである。   While the reality on the drawing surface of computer animation has increased, there is still room for improving the reality of other elements such as the movement, touch, and sound of objects. Further, in the VR system, speeding up of processing and a method for applying the system to the system are problems, and among them, an important requirement is to achieve both real-time characteristics and high quality images.

本明細書では、とりわけ、衝突や接触など、オブジェクト間のインタラクションが発生したときの効果音を人工的に合成して、コンピュータ・アニメーションのリアリティや臨場感を向上させる方法について取り扱う。   This specification deals with a method for improving the reality and the sense of reality of computer animation by artificially synthesizing sound effects when interaction between objects such as collision and contact occurs.

コンピュータ技術を利用した音響の自動生成に関しては、例えば、各種自然楽器の発音機構をシミュレーションして楽音波形を合成する楽音合成装置について提案がなされている(例えば、特許文献1を参照のこと)。同装置では、エンベロープ信号発生部により発生した励振エンベロープ信号を用いて物理モデル音源の駆動信号を生成するとともに、エンベロープ信号発生部により発生した振幅エンベロープ信号を用いて楽音信号に振幅エンベロープを付与するようにする。また、振幅エンベロープのトリガし直しを行なう場合でも、励振エンベロープはトリガし直しを行なわず、一定の駆動信号が物理モデル音源に入力して励起が持続するようにするように構成されており、初心者などであっても発音・演奏制御が容易に行なえるとともに、1ノート1ノートクレッシェンドするような演奏も発音遅れを生じることなく実現ことができる。しかしながら、同装置は、自然楽器に近い発音を自動生成することができるが、3次元仮想空間上で衝突又は接触といったオブジェクト間のインタラクションに対し、どのような効果音を付与すべきかという課題を解決するものではない。   With regard to automatic sound generation using computer technology, for example, a musical sound synthesizer that synthesizes musical sound waveforms by simulating the sound generation mechanism of various natural musical instruments has been proposed (for example, see Patent Document 1). In the apparatus, a drive signal of the physical model sound source is generated using the excitation envelope signal generated by the envelope signal generation unit, and an amplitude envelope is added to the musical sound signal using the amplitude envelope signal generated by the envelope signal generation unit. To. Also, even when the amplitude envelope is retriggered, the excitation envelope is not retriggered, and a constant drive signal is input to the physical model sound source so that the excitation is sustained. Therefore, it is possible to easily perform sound generation and performance control, and to perform performance such as one note and one note crescendo without causing a sound delay. However, this device can automatically generate a sound similar to a natural musical instrument, but it solves the problem of what kind of sound effect should be given to interaction between objects such as collision or contact in a three-dimensional virtual space. Not what you want.

また、ユーザからの3次元ビューワを介したインタラクティブなコマンド入力に応答して、物理オブジェクトを引っかいたときやたたいたときなどに発生する音をフィードバックする3次元オブジェクト提示装置について提案がなされている(例えば、特許文献2を参照のこと)。しかしながら、同装置では、3次元モデル・データとして記述される元のオブジェクトを叩いたり擦ったりしたときに発生する音を3次元モデル・データに対して添付しておき、ユーザからのインタラクションに従って再生するだけであり、衝突したときの衝撃の度合いや衝突した相手などの力学量に応じた音響を生成するものではなく、VRシステムに適用したときにはリアリティに欠けたものとある。   Also, a three-dimensional object presentation device that feeds back sound generated when a physical object is scratched or hit in response to an interactive command input from a user via a three-dimensional viewer has been proposed. (See, for example, Patent Document 2). However, in this apparatus, the sound generated when the original object described as the 3D model data is hit or rubbed is attached to the 3D model data and reproduced according to the interaction from the user. However, it does not generate sound according to the degree of impact at the time of collision or the mechanical quantity of the colliding opponent, and lacks reality when applied to a VR system.

また、複数の物体の干渉度合いを衝撃音によって表現する物体干渉表現装置について提案がなされている(例えば、特許文献3を参照のこと)。しかしながら、同装置では、例えば同じ材質の物体が衝突した場合の衝撃音データを、衝突の衝撃が大、中、小それぞれの場合に分けてあらかじめ記憶しておき、衝撃変形解析シミュレーションの結果として得られる衝撃の度合いに応じていずれかの衝撃音データをそのまま再生出力するものあるから、ユーザは物体の干渉度合いを聴覚的に認識することはできるものの、その音響は精緻さに欠け、十分な現実感を与えることはできないと思われる。   In addition, an object interference expression device that expresses the degree of interference of a plurality of objects with an impact sound has been proposed (see, for example, Patent Document 3). However, in this device, for example, impact sound data when an object of the same material collides is stored in advance for each case of impact of large, medium, and small, and obtained as a result of an impact deformation analysis simulation. Depending on the degree of impact, some of the impact sound data is reproduced and output as it is, so that the user can audibly recognize the degree of interference of the object, but the sound is inaccurate and sufficient reality It seems that it cannot give a feeling.

現在、VRシステムで採り入れられている音源の合成方法は、基本的にはあらかじめサンプリングされた音声を生成するという単純な手法に依存したものであり、物理モデルに裏付けられたリアリティのある音響を合成することはできない。   Currently, the synthesis method of the sound source adopted in the VR system basically relies on a simple method of generating pre-sampled speech, and synthesizes realistic sound supported by a physical model. I can't do it.

一方、3次元仮想空間を利用したシステムでは、リアルタイム処理が重要である。コンピュータ・ゲームを始めとするアプリケーションでは、多数のオブジェクトが同時にインタラクションを起こす場面が想定されるが、過度に精密な物理モデルを構成すると、実時間処理が困難となる。言い換えれば、簡潔ではあるがリアリティ創出効果の高い、効果音生成アルゴリズムが望まれている。   On the other hand, real-time processing is important in a system using a three-dimensional virtual space. In an application such as a computer game, it is assumed that a large number of objects interact with each other at the same time. However, if an excessively precise physical model is constructed, real-time processing becomes difficult. In other words, there is a demand for a sound effect generation algorithm that is simple but has a high effect of creating reality.

特開平9−305177号公報(特許第3044375号公報)Japanese Patent Laid-Open No. 9-305177 (Japanese Patent No. 3044375) 特開2001−256510号公報JP 2001-256510 A 特開2004−252756号公報JP 2004-252756 A

本発明の目的は、3次元仮想空間上でオブジェクト間の衝突や接触といったインタラクションが発生したときのリアリティのある効果音を、VRシステムで要求されるリアルタイム性を保ちながら生成することができる、優れた効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。   An object of the present invention is to generate a realistic sound effect when an interaction such as collision or contact between objects occurs in a three-dimensional virtual space while maintaining the real-time property required by the VR system. Another object is to provide a sound effect generating device, a sound effect generating method, and a computer program.

本発明のさらなる目的は、3次元仮想空間上でオブジェクト間の衝突や接触といったインタラクションが発生したときのリアリティのある効果音を、物理モデルの裏付けにより合成することができる、優れた効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent sound effect generating device capable of synthesizing a realistic sound effect when an interaction such as collision or contact between objects occurs in a three-dimensional virtual space by supporting a physical model. And a sound effect generation method, and a computer program.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成する効果音生成装置であって、
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出手段と、
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出手段と、
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成手段と、
を具備することを特徴とする効果音生成装置である。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and a first aspect thereof is a sound effect for generating a sound effect associated with a physical interaction between objects in a virtual space where a plurality of virtual objects coexist. A generating device,
Interaction detecting means for detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
A dynamic quantity calculating means for calculating a dynamic quantity acting on the object by the interaction using a dynamic model that determines the behavior between the objects in which the physical interaction works based on physics;
Using the calculated mechanical quantity, a sound effect generating means for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction;
It is provided with the effect sound production | generation apparatus characterized by the above-mentioned.

最近の情報技術の進歩とともに、仮想現実感を利用したVRシステムが多岐にわたって応用されているが、コンピュータ・アニメーションの描画面でのリアリティが増す一方で、効果音などのその他の要素に関しては、リアリティの向上に余地が残されている。多くのシステムでは、基本的に、オブジェクト同士の衝突など仮想空間内で物理的インタラクションが発生したタイミングに合わせて、あらかじめ記録若しくは生成しておいた音響データを再生出力するだけであり、その音響は精緻さに欠け、十分な現実感を与えることはできないと思われる。   With the recent advancement of information technology, VR systems using virtual reality have been applied in various ways. However, while the reality on the drawing side of computer animation has increased, other factors such as sound effects are not realistic. There is still room for improvement. In many systems, basically, sound data that has been recorded or generated in advance is synchronized with the timing of physical interaction in the virtual space, such as collisions between objects, and the sound is simply output. It seems that it lacks elaboration and cannot give enough sense of reality.

これに対し、本発明によれば、3次元仮想空間におけるオブジェクト間の衝突やその他の物理的なインタラクションを、力学シミュレーションを用いて算出し、得られた力学量に基づいてリアリティがあり精緻な物体の動きや触感、衝突時の効果音などを導き出すことができる。   On the other hand, according to the present invention, collision between objects in the three-dimensional virtual space and other physical interactions are calculated using dynamic simulation, and a realistic and precise object is obtained based on the obtained dynamic quantity. Movements and touch, and sound effects at the time of collision can be derived.

操作空間は、オブジェクトに作用する力と発生する加速度の関係を記述するための空間である。操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度といった操作空間物理量を用いて、操作空間の加速度と力との関係式を記述することができる。そして、オブジェクト間で衝突といった物理的インタラクションが働いたときに課せられる拘束条件からなる線形相補性問題を満足する加速度と力を、これら操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて求め、得られた力に基づいてオブジェクトに働く衝突力や、さらには速度、加速度、力積、エネルギといった力学量を決定することができる。   The operation space is a space for describing the relationship between the force acting on the object and the generated acceleration. Using the operation space physical quantities such as the operation space inertia inverse matrix and the operation space bias acceleration, a relational expression between the acceleration and force of the operation space can be described. Then, the acceleration and force satisfying the linear complementarity problem consisting of the constraints imposed when physical interaction such as collision between objects works is obtained by using these operation space inertia inverse matrix and operation space bias acceleration. Based on the applied force, it is possible to determine a collision force acting on the object, and further a mechanical quantity such as velocity, acceleration, impulse, and energy.

操作空間慣性逆行列を定義通りの計算で求めようとすると、計算量が膨大であり、VRシステムに求められるリアルタイム性に向かないという問題がある。そこで、本発明では、3次元仮想空間に存在するオブジェクトの挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用い、一般化力から一般化加速度を得る順動力学演算FWDを実行させることにより、操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を高速で算出するようにした。   If the operation space inertia inverse matrix is obtained by calculation as defined, the calculation amount is enormous, and there is a problem that it is not suitable for the real-time property required for the VR system. Therefore, in the present invention, by using a dynamic model that determines the behavior of an object existing in a three-dimensional virtual space based on physics, a forward dynamics calculation FWD that obtains a generalized acceleration from a generalized force is executed, thereby performing an operation. The spatial inertia inverse matrix and the operational space bias acceleration were calculated at high speed.

例えば、前記操作空間物理量算出手段は、物理的相互作用によって仮想物体に働く垂直反力及び摩擦力の作用方向に操作空間を設定し、前記力学量算出手段は、仮想物体間に指定した反発係数の反発と適切な摩擦力を実現させるための拘束条件を用いて線形相補性問題を設定し、該線形相補性問題を解決することによって、物理的相互作用が発生したときに仮想オブジェクトに働く衝突力などの力学量を決定することができる。   For example, the operation space physical quantity calculation means sets the operation space in the direction of action of the vertical reaction force and friction force acting on the virtual object by physical interaction, and the mechanical quantity calculation means sets the restitution coefficient specified between the virtual objects. Collisions that work on virtual objects when physical interactions occur by setting linear complementarity problems using constraints to achieve repulsion and appropriate frictional forces and solving the linear complementarity problems Mechanical quantities such as force can be determined.

また、前記操作空間物理量算出手段は、仮想物体間の相対位置偏差方向に操作空間を設定し、前記力学量算出手段は、仮想物体間が指定した相対位置となるための拘束条件を用いて線形相補性問題を設定し、該線形相補性問題を解決することによって、物理的相互作用が発生したときに仮想オブジェクトに働く衝突力などの力学量を決定することができる。   Further, the operation space physical quantity calculation means sets an operation space in the relative position deviation direction between virtual objects, and the mechanical quantity calculation means linearly uses a constraint condition for setting the relative positions between virtual objects. By setting a complementarity problem and solving the linear complementarity problem, it is possible to determine a mechanical quantity such as a collision force acting on a virtual object when a physical interaction occurs.

また、物理的相互作用が働く仮想オブジェクトが人型キャラクタのような複数の剛体が連なって構成されるリンク構造物である場合には、前記力学量算出手段は、前記リンク構造物を構成する各リンクの位置又は姿勢に関する拘束条件を用いて線形相補性問題を設定するようにすればよい。   Further, when the virtual object on which the physical interaction works is a link structure configured by connecting a plurality of rigid bodies such as a humanoid character, the dynamic quantity calculation means includes each of the link structures The linear complementarity problem may be set using a constraint condition regarding the position or posture of the link.

音響の音量は、基本的に、音響の振動波形を包絡するエンベロープ波形に支配される。そこで、本発明に係る効果音生成装置では、効果音生成手段が、オブジェクトに働く力学量に基づいてエンベロープ波形の振幅を決定することにより、臨場感があり、物理的根拠を持ったリアルな効果音を生成するようにした。例えば、大きな衝突が発生した場合には、エンベロープ波形の振幅の絶対値が大きくなる。   The sound volume is basically governed by an envelope waveform that envelopes the vibration waveform of the sound. Therefore, in the sound effect generating device according to the present invention, the sound effect generating means determines the amplitude of the envelope waveform based on the mechanical quantity acting on the object, so that there is a realistic effect with a physical sense and realism. Generated sound. For example, when a large collision occurs, the absolute value of the amplitude of the envelope waveform increases.

各オブジェクトは、効果音の減衰特性や固有振動波形を含む振動属性を備えている。前記効果音生成手段は、物理的なインタラクションが働いた各オブジェクトが持つ減衰特性に基づいてエンベロープ波形に減衰特性を付与し、エンベロープ波形に各オブジェクトが持つ固有振動波形を合成することによって、臨場感のある精緻な効果音を算出することができる。   Each object has vibration attributes including a sound effect attenuation characteristic and a natural vibration waveform. The sound effect generating means adds an attenuation characteristic to the envelope waveform based on the attenuation characteristic of each object that has undergone physical interaction, and synthesizes the natural vibration waveform of each object with the envelope waveform, thereby creating a sense of presence. It is possible to calculate a precise sound effect with

仮想空間上で、現在時刻における音は、過去に生じたすべての衝突のインパルス応答の和と考えることができる。そこで、物理的なインタラクション毎に生成された各効果音の情報を過去音として登録する発生音リスト管理部を備え、前記発生音リスト管理部に登録されている過去音を時間軸上で和をとって、現在時刻における仮想空間上の音響を算出するようにすればよい。   In the virtual space, the sound at the current time can be considered as the sum of impulse responses of all the collisions that have occurred in the past. In view of this, a generated sound list management unit for registering information on each sound effect generated for each physical interaction as a past sound is provided, and the past sounds registered in the generated sound list management unit are summed on the time axis. Thus, the sound in the virtual space at the current time may be calculated.

また、実際には、オブジェクトの衝突からの時間の経過とともに衝突音の音量はエンベロープ波形に従って減少していき、やがて聞き取れなくなる。すなわち、すべての過去の時刻を遡る必要はなく、現時刻の音に実質的に影響を与え得る、有限時間分の衝突に関して算出すればよい。そこで、前記発生音リスト管理部は、十分に減衰した過去音を発生音リストから除外する処理を行なうようにすればよい。   In practice, the volume of the collision sound decreases according to the envelope waveform as time elapses from the collision of the object, and becomes unintelligible eventually. That is, it is not necessary to go back all past times, and it is only necessary to calculate a collision for a finite time that can substantially affect the sound at the current time. Therefore, the generated sound list management unit may perform a process of excluding a sufficiently attenuated past sound from the generated sound list.

また、本発明の第2の側面は、複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・システムに対し、
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出手順と、
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出手順と、
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a computer so as to execute a process for generating a sound effect accompanying a physical interaction between objects in a virtual space in which a plurality of virtual objects coexist on a computer system. A computer program written in a readable format for the computer system
An interaction detection procedure for detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
A dynamic quantity calculation procedure for calculating a dynamic quantity acting on an object by interaction using a dynamic model that determines the behavior between objects in which physical interaction works based on physics;
A sound effect generation procedure for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction using the calculated mechanical quantity;
Is a computer program characterized in that

本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第1の側面に係る効果音生成装置と同様の作用効果を得ることができる。   The computer program according to the second aspect of the present invention defines a computer program described in a computer-readable format so as to realize predetermined processing on a computer system. In other words, by installing the computer program according to the second aspect of the present invention in the computer system, a cooperative action is exhibited on the computer system, and the sound effect according to the first aspect of the present invention is achieved. The same effect as that of the generating device can be obtained.

本発明によれば、3次元仮想空間上でオブジェクト間の衝突や接触といったインタラクションが発生したときのリアリティのある効果音を、VRシステムで要求されるリアルタイム性を保ちながら生成することができる、優れた効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to generate a realistic sound effect when an interaction such as collision or contact between objects occurs in a three-dimensional virtual space while maintaining the real-time property required by the VR system. The sound effect generating apparatus, the sound effect generating method, and the computer program can be provided.

また、本発明によれば、3次元仮想空間上でオブジェクト間の衝突や接触といったインタラクションが発生したときのリアリティのある効果音を、物理モデルの裏付けにより合成することができる、優れた効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to synthesize a sound effect having a reality when an interaction such as collision or contact between objects occurs in a three-dimensional virtual space, and to synthesize the sound effect with excellent support of a physical model. An apparatus, a sound effect generation method, and a computer program can be provided.

また、本発明によれば、衝突や接触など、オブジェクト間のインタラクションが発生したときの効果音を、物理学に基づいた数理モデルによって人工的に合成して、コンピュータ・アニメーションのリアリティや臨場感を向上させることができる、優れた効果音生成装置及び効果音生成方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。   In addition, according to the present invention, sound effects when an interaction between objects such as a collision and a contact occurs are artificially synthesized by a mathematical model based on physics, and the reality and sense of presence of a computer animation can be obtained. An excellent sound effect generation device, sound effect generation method, and computer program that can be improved can be provided.

近年のコンピューティング・パワーの向上により、順運動学シミュレーションをバックグランドで実行し、その演算結果に基づいて3次元オブジェクトを駆動するという、実時間力学ベースのCGアニメーションが現実的となりつつある。本発明に係る効果音生成方法によれば、力学シミュレーションとの協調により、3次元オブジェクトの動きのリアリティ、押したりつかんだりといった物理的インタラクションのリアリティの提示が可能なゲームを実現することができる。また、本発明に係る効果音生成方法によれば、物理的な根拠のある効果音を、リアルタイムで、インタラクティブに、且つ効率的に発生することが可能となり、CGアニメーションのさらなるリアリティ向上に寄与するであろう。   With the recent improvement in computing power, real-time mechanics-based CG animation, in which forward kinematics simulation is executed in the background and a three-dimensional object is driven based on the calculation result, is becoming realistic. According to the sound effect generation method of the present invention, it is possible to realize a game capable of presenting the reality of physical interaction such as the reality of the movement of a three-dimensional object, pressing and grabbing, in cooperation with a dynamic simulation. In addition, according to the sound effect generation method of the present invention, it is possible to generate sound effects with physical grounds in real time, interactively and efficiently, which contributes to further improving the reality of CG animation. Will.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

システム構成
図1には、本発明の一実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100のハードウェア構成を模式的に示している。同装置100は、スピーカ104、ディスプレイ105、力覚提示器(ハプティクス・デバイス)106を介して、計算機上に構築された3次元仮想空間の様子をユーザに提示する機能を備えており、例えばコンピュータ・ゲーム機若しくはその一部として構成することができる。
System Configuration FIG. 1 schematically shows a hardware configuration of a three-dimensional virtual space presentation device 100 according to an embodiment of the present invention. The apparatus 100 has a function of presenting the state of a three-dimensional virtual space constructed on a computer to a user via a speaker 104, a display 105, and a haptic device (haptic device) 106, for example, a computer. -It can be configured as a game machine or a part thereof.

スピーカ104は3次元仮想空間で発生したイベントに関連した音を出力し、ディスプレイ105は3次元仮想空間の視覚情報を提示し、ハプティクス・デバイス106は3次元仮想空間内の物体に触れた際に感じられる力覚情報を提示する。本実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100によれば、これらの入出力形を協調的に駆使し、計算機上に構築された3次元仮想空間があたかも実在する空間であるかのように、高いリアリティと臨場感を以ってユーザに提示することができる。   The speaker 104 outputs sound related to an event that occurs in the three-dimensional virtual space, the display 105 presents visual information of the three-dimensional virtual space, and the haptic device 106 touches an object in the three-dimensional virtual space. Presents haptic information that can be felt. According to the three-dimensional virtual space presentation device 100 according to the present embodiment, these input / output forms are used in a coordinated manner, as if the three-dimensional virtual space constructed on the computer is a real space. It can be presented to the user with high reality and presence.

CPU101は、ROM103又は図示しない外部記憶装置に格納されているコンピュータ・ゲームやその他のアプリケーションをRAM102に展開して実行することにより、3次元仮想空間内における時間的変化や、音情報、映像情報、力情報を逐次算出し、RAM102に書き込む。また、音情報、映像情報、力情報は、それぞれスピーカ104、ディスプレイ105、ハプティクス・デバイス106を介してユーザに提示される。また、上述した各デバイス104〜106は、リアルタイム性を確保するのに十分な転送速度を持つ高速バス107によって接続され、相互に情報の授受が可能となるように構成されている。   The CPU 101 expands and executes a computer game or other application stored in the ROM 103 or an external storage device (not shown) on the RAM 102, thereby executing temporal changes in the three-dimensional virtual space, sound information, video information, Force information is sequentially calculated and written to the RAM 102. Sound information, video information, and force information are presented to the user via the speaker 104, the display 105, and the haptic device 106, respectively. Further, each of the devices 104 to 106 described above is connected by a high-speed bus 107 having a transfer speed sufficient to ensure real-time properties, and is configured to be able to exchange information with each other.

本実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100は、とりわけ、音に関する情報をリアルタイムで且つ高いリアリティを持って提示する点に特徴があり、オブジェクト間のインタラクションが発生したときの効果音を、物理学に基づいた数理モデルによって人工的に合成して、コンピュータ・アニメーションのリアリティや臨場感を向上させることができる。以下では、CPU101で実行される、音に関する情報算出の方法を中心に説明する。   The three-dimensional virtual space presentation apparatus 100 according to the present embodiment is particularly characterized in that information about sound is presented in real time and with high reality, and a sound effect when an interaction between objects occurs is physically generated. It can be artificially synthesized by mathematical models based on science to improve the reality and realism of computer animation. Hereinafter, a method for calculating information related to sound, which is executed by the CPU 101, will be mainly described.

図2には、CPU101上で実行される、音に関する情報を算出するためのプログラムの機能的構成を模式的に示している。   FIG. 2 schematically shows a functional configuration of a program that is executed on the CPU 101 and calculates information related to sound.

3次元仮想空間提示装置100において処理対象となる仮想3次元空間の状態は、当該空間内に存在する各仮想オブジェクトに関する3次元オブジェクト・データとしてROM103若しくは外部記憶装置(図示しない)に格納される。この3次元オブジェクト・データとして、オブジェクト毎の、(1)位置や姿勢、寸法、接続関係といった幾何属性、(2)質量や慣性テンソル、摩擦、反発係数といった力学属性、(3)減衰特性や固有振動波形などからなる振動属性に関するデータが少なくとも保持されているとものする。   The state of the virtual three-dimensional space to be processed in the three-dimensional virtual space presentation device 100 is stored in the ROM 103 or an external storage device (not shown) as three-dimensional object data relating to each virtual object existing in the space. This three-dimensional object data includes (1) geometric attributes such as position, orientation, dimensions, and connection relations, (2) mechanical attributes such as mass, inertia tensor, friction, and coefficient of restitution, and (3) damping characteristics and inherent characteristics. It is also assumed that at least data relating to vibration attributes such as vibration waveforms is held.

順動力学演算部21は、いわゆる力学シミュレーションに用いられるコア演算としての順動力学演算(FWD)により、3次元仮想空間上で各オブジェクトの挙動に関する力学量を算出する。具体的には、順動力学演算部21は、3次元オブジェクト・データとして格納されている各オブジェクトの幾何属性や力学属性などを用いて、ニュートン−オイラー力学に基づき、オブジェクト内部に発生する力やオブジェクト外部に作用する力からオブジェクトに発生する加速度を算出し、オブジェクトの運動のシミュレーション計算を行なう。そして、順動力学演算の結果に応じて各オブジェクトの3次元仮想空間上における位置や姿勢を変更する。位置や姿勢の変化をアニメーションに反映することにより、各オブジェクトは力学法則に基づいたリアルな動きを呈する。順動力学演算の構成法の詳細については後述に譲る。   The forward dynamics calculation unit 21 calculates a mechanical quantity related to the behavior of each object in a three-dimensional virtual space by forward dynamics calculation (FWD) as a core calculation used for so-called dynamic simulation. Specifically, the forward dynamics calculation unit 21 uses the geometric attributes and dynamic attributes of each object stored as three-dimensional object data, based on Newton-Euler dynamics, The acceleration generated in the object is calculated from the force acting on the outside of the object, and the simulation of the movement of the object is performed. And the position and attitude | position in the three-dimensional virtual space of each object are changed according to the result of forward dynamics calculation. By reflecting changes in position and orientation in the animation, each object exhibits realistic movement based on the laws of mechanics. Details of the forward dynamics calculation method will be described later.

衝突検出部22は、3次元オブジェクト・データ内の各オブジェクトの衝突を検出するとともに、オブジェクト表面の衝突点集合を算出する。本発明を実現する上で衝突検出アルゴリズムは特に限定されないが、例えば本出願人に既に譲渡されている特願2005−289598号明細書に記載されている接触形状算出方法を用いてオブジェクト間の衝突を算出することができる。   The collision detection unit 22 detects a collision of each object in the three-dimensional object data and calculates a set of collision points on the object surface. The collision detection algorithm for realizing the present invention is not particularly limited. For example, a collision between objects is performed using a contact shape calculation method described in Japanese Patent Application No. 2005-289598 already assigned to the present applicant. Can be calculated.

衝突力算出部23は、衝突検出部22で算出された衝突点に作用する外力を算出する。衝突力の算出法については、例えば、操作空間物理量と線型相補性問題を用いて決定することができるが、この点の詳細については後述に譲る。   The collision force calculation unit 23 calculates an external force that acts on the collision point calculated by the collision detection unit 22. The calculation method of the collision force can be determined using, for example, the operation space physical quantity and the linear complementarity problem, and details of this point will be described later.

衝突やその他の外力が印加されたオブジェクトは、オブジェクトが固有に持つ固有振動波形に基づいて衝突音を発し、衝突が起こった時点からの時間の経過とともに、固有振動波形を持った衝突音の音量が減衰していくものとして扱う。減衰特性や固有振動波形は、オブジェクトの振動特性として、3次元オブジェクト・データに含まれている(前述)。また、図3に示すように、オブジェクトの固有振動波形とエンベロープ波形を合成した波形が、衝突したオブジェクトから発される衝突音となる。   An object to which a collision or other external force is applied emits a collision sound based on the natural vibration waveform of the object, and the volume of the collision sound having the natural vibration waveform as time elapses from the time of the collision. Is treated as decaying. The damping characteristic and the natural vibration waveform are included in the three-dimensional object data as the vibration characteristic of the object (described above). Further, as shown in FIG. 3, a waveform obtained by synthesizing the natural vibration waveform of the object and the envelope waveform is a collision sound emitted from the collided object.

本実施形態では、エンベロープ波形算出部24は、衝突検出部22で衝突が検出されたすべてのオブジェクトに関して、衝突力算出部23で得られたオブジェクトの外力や速度変化などの物理量に応じて、効果音のエンベロープ波形を算出する。エンベロープ波形は、図3に示した通り、効果音の音量を支配する波形であり、大きな衝突が発生した場合には絶対値が大きくなる。その減衰の度合いは、3次元オブジェクト・データ内の個々のオブジェクトの上記振動属性の他、後述の方法によって決定される。このようにエンベロープ波形に力学演算の結果を反映することで、物理的根拠を持った効果音の発生が効果的に行なうことができる。したがって、順動力学演算部21による力学シミュレーション結果を利用して、オブジェクトに対し力学法則に基づいたリアルな動きを呈することと併せて、仮想現実感を向上させる相乗効果が期待できる。   In the present embodiment, the envelope waveform calculation unit 24 has an effect on all the objects for which a collision is detected by the collision detection unit 22 according to physical quantities such as external force and speed change of the object obtained by the collision force calculation unit 23. Calculate the envelope waveform of the sound. As shown in FIG. 3, the envelope waveform is a waveform that dominates the volume of the sound effect, and its absolute value increases when a large collision occurs. The degree of attenuation is determined by a method described later in addition to the vibration attribute of each object in the three-dimensional object data. By reflecting the result of the dynamic calculation in the envelope waveform in this way, it is possible to effectively generate a sound effect having a physical basis. Therefore, it is possible to expect a synergistic effect to improve virtual reality in addition to presenting a real motion based on the law of mechanics to the object using the dynamic simulation result by the forward dynamics calculation unit 21.

固有振動波形設定部25は、すべての衝突に関する固有振動波形を設定する。各々のオブジェクトの固有振動波形はオブジェクトの発する音色に相当する。固有振動波形は、図3に示したように、エンベロープ波形に比べて高い周波数を有し、物理モデルに基づいて算出すると大きな計算量を有する。このため、本実施形態では、各オブジェクトの振動属性データを静的な固有振動データの1つとして登録しておくものとする。例えば、金属オブジェクトには金属の固有振動波形を、プラスチック・オブジェクトにはプラスチックの固有振動波形を、各オブジェクトの振動属性として保持させる。固有振動波形設定部25は、これらの3次元オブジェクト・データ内の個々のオブジェクトが持つ振動属性に基づいて、衝突に関する固有振動波形を設定する。   The natural vibration waveform setting unit 25 sets natural vibration waveforms related to all collisions. The natural vibration waveform of each object corresponds to the timbre emitted by the object. As shown in FIG. 3, the natural vibration waveform has a higher frequency than the envelope waveform, and has a large calculation amount when calculated based on a physical model. For this reason, in this embodiment, it is assumed that the vibration attribute data of each object is registered as one of the static natural vibration data. For example, a metal natural vibration waveform is held in a metal object, and a plastic natural vibration waveform is held in a plastic object as a vibration attribute of each object. The natural vibration waveform setting unit 25 sets a natural vibration waveform related to a collision based on vibration attributes of individual objects in these three-dimensional object data.

上述のように、オブジェクトの衝突による発生音はエンベロープ波形とオブジェクトの固有振動波形によって決定される。そこで、本実施形態では、エンベロープ波形設定部24により設定されたエンベロープ波形と固有振動波形設定部25により設定された固有振動波形の組を、仮想空間内でのオブジェクトの衝突により発生する音を構成する発生音情報として扱う。発生音リスト管理部26は、逐次得られる発生音情報を過去音として過去発生音リストに登録する。また、オブジェクトの衝突からの時間の経過とともに衝突音の音量はエンベロープ波形に従って減少していき、やがて聞き取れなくなることから、十分過去の発生音情報を過去音リストから除外する処理を行なう。   As described above, the sound generated by the collision of the object is determined by the envelope waveform and the natural vibration waveform of the object. Therefore, in the present embodiment, a set of the envelope waveform set by the envelope waveform setting unit 24 and the natural vibration waveform set by the natural vibration waveform setting unit 25 is used to configure a sound generated by collision of an object in the virtual space. Treated as generated sound information. The generated sound list management unit 26 registers the generated sound information obtained sequentially as a past sound in the past generated sound list. In addition, since the volume of the collision sound decreases according to the envelope waveform as time elapses from the collision of the object and eventually becomes inaudible, processing for sufficiently excluding past generated sound information from the past sound list is performed.

個々の衝突で発生する効果音は、エンベロープ波形と固有振動波形の合成波により求まる。そして、エンベロープ波形算出部24は衝突力算出部23により求められた衝突力に応じてエンベロープ波形を算出するが、衝突力算出部23が力学シミュレーションに基づく手法により高速で衝突力を算出できることから、リアルタイムにエンベロープ波形を算出できる。すなわち、リアルな効果音をリアルタイムで出力することができることになるので、3次元仮想空間に臨場感を与えることができる。   The sound effect generated by each collision is obtained by a composite wave of the envelope waveform and the natural vibration waveform. The envelope waveform calculation unit 24 calculates the envelope waveform according to the collision force obtained by the collision force calculation unit 23, but the collision force calculation unit 23 can calculate the collision force at a high speed by a method based on a dynamic simulation. The envelope waveform can be calculated in real time. In other words, since realistic sound effects can be output in real time, a sense of reality can be given to the three-dimensional virtual space.

発生音合成部27は、過去発生音リストに登録されている各発生音情報に基づいてエンベロープ波形と固有振動波形の合成を行なうことで、すべてのオブジェクト衝突に伴う発生音を求めた後、これらすべての発生音を時間軸上で重ね合わせ、現時刻における3次元仮想空間内の発生音を算出する。上述したように、発生音リスト管理部26は、衝突から十分に時間が経過してもはや聞き取れなくなった発生音情報を過去発生音リストから除外するので、発生音合成部27では、不要な音合成処理を行なわなくて済む。   The generated sound synthesizing unit 27 synthesizes the envelope waveform and the natural vibration waveform based on each generated sound information registered in the past generated sound list, and obtains the generated sounds accompanying all object collisions. All the generated sounds are superimposed on the time axis, and the generated sound in the three-dimensional virtual space at the current time is calculated. As described above, the generated sound list management unit 26 excludes the generated sound information that is no longer audible after a sufficient time from the collision from the past generated sound list. No processing is required.

サウンド出力部28は、発生音合成部27で得られた合成波形をスピーカの駆動信号に変換して、3次元仮想空間上でインタラクションを起こしたオブジェクトの効果音として音響出力する。   The sound output unit 28 converts the synthesized waveform obtained by the generated sound synthesis unit 27 into a speaker drive signal, and outputs the sound as a sound effect of an object that has caused an interaction in the three-dimensional virtual space.

なお、本実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100では、オブジェクト間の衝突に関する物理量を順動力学演算部21による力学シミュレーションにより求めた結果を用いて、ハプフィクス・デバイス106を介してユーザにオブジェクトのインタラクションに関する力提示を行なうことが可能である。但し、力提示は本発明の要旨には直接関連しないので、本明細書では説明を省略する。   Note that in the three-dimensional virtual space presentation device 100 according to the present embodiment, a physical quantity related to a collision between objects is obtained from a dynamic simulation by the forward dynamics calculation unit 21, and the object is transmitted to the user via the hapfix device 106. It is possible to present a force related to the interaction. However, since force presentation is not directly related to the gist of the present invention, description thereof is omitted in this specification.

力学シミュレーションを用いた衝突力のリアルタイム算出
本実施形態に係る3次元仮想空間提示装置では、力学シミュレーション結果を利用して得られる衝突力などの力学量に基づいて効果音のエンベロープ波形を算出することから、衝突オブジェクトの固有振動波形にエンベロープ波形を乗算することで物理的根拠を持った臨場感のある効果音を生成することができる。さらに、高速な衝突力を算出可能な力学シミュレーション方法を導入することで、リアルな効果音のリアルタイム生成を実現している。ここでは、順動力学演算FWDの構成方法や力学シミュレーションによる衝突力の算出方法について詳解する。
Real-time calculation of collision force using dynamic simulation In the three-dimensional virtual space presentation device according to the present embodiment, the envelope waveform of the sound effect is calculated based on the dynamic quantity such as the collision force obtained using the dynamic simulation result. Therefore, by multiplying the natural vibration waveform of the collision object with the envelope waveform, it is possible to generate a sound effect with a physical presence and having a physical presence. Furthermore, by introducing a dynamic simulation method capable of calculating a high-speed impact force, real-time sound effects can be generated. Here, a configuration method of the forward dynamics calculation FWD and a collision force calculation method by dynamic simulation will be described in detail.

力制御、力学シミュレーション、コンピュータ・アニメーション、姿勢編集、外力推定など、多くの分野において、「操作空間(Operational Space)」と呼ばれる重要な概念がある。この操作空間とは、オブジェクトに作用する力と発生する加速度の関係を記述するための空間のことである。操作空間は、基本的には操作空間慣性逆行列と呼ばれる行列によって与えられ、力と加速度を紐付けする表現方法を得ることができる。   In many fields, such as force control, dynamic simulation, computer animation, posture editing, and external force estimation, there is an important concept called “operational space”. This operation space is a space for describing the relationship between the force acting on the object and the generated acceleration. The operation space is basically given by a matrix called an operation space inertia inverse matrix, and an expression method that links force and acceleration can be obtained.

操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度といった操作空間物理量を用いて、操作空間の加速度と力との関係式を記述することができる。そして、オブジェクト間で衝突といった物理的インタラクションが働いたときに課せられる拘束条件からなる線形相補性問題を満足する加速度と力を、これら操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて求め、得られた力に基づいてオブジェクトに働く衝突力や、さらには速度、加速度、力積、エネルギといった力学量を決定することができる。   Using the operation space physical quantities such as the operation space inertia inverse matrix and the operation space bias acceleration, a relational expression between the acceleration and force of the operation space can be described. Then, the acceleration and force satisfying the linear complementarity problem consisting of the constraints imposed when physical interaction such as collision between objects works is obtained by using these operation space inertia inverse matrix and operation space bias acceleration. Based on the applied force, it is possible to determine a collision force acting on the object, and further a mechanical quantity such as velocity, acceleration, impulse, and energy.

ここで、定義通りの計算では、操作空間慣性逆行列の算出には非常に多くの計算量となるため、リアルタイム処理に向かないという問題がある。そこで、本実施形態では、3次元仮想空間に存在するオブジェクトの挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用い、一般化力から一般化加速度を得る順動力学演算FWDを実行させることにより、操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を高速で算出するようにした。   Here, in the calculation as defined, there is a problem that it is not suitable for real-time processing because the calculation amount of the operation space inertia inverse matrix is very large. Therefore, in this embodiment, by using a dynamic model that determines the behavior of an object existing in a three-dimensional virtual space based on physics, by executing a forward dynamics calculation FWD that obtains a generalized acceleration from a generalized force, The operation space inertia inverse matrix and the operation space bias acceleration were calculated at high speed.

例えば、CGキャラクタなど複数の剛体が連なって構成されるリンク構造物全体の運動方程式は下式(1)のような形で表現できることが知られている。   For example, it is known that the equation of motion of the entire link structure formed by connecting a plurality of rigid bodies such as CG characters can be expressed in the form of the following expression (1).

Figure 0004736771
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ここで、τは一般化変数qに対応した一般化力、bは重力・コリオリ力、fは操作空間に作用する外力、Hは構造全体の関節空間に対する慣性行列、Jは操作空間を定義するヤコビアンである。上式(1)を以下のように変形することができる。   Here, τ is a generalized force corresponding to the generalized variable q, b is gravity / Coriolis force, f is an external force acting on the operation space, H is an inertia matrix for the joint space of the entire structure, and J is an operation space. Jacobian. The above equation (1) can be modified as follows.

Figure 0004736771
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但し、cは操作空間バイアス加速度(外力が作用しない場合に操作空間に発生する加速度)であり、下式のように表される。   However, c is the operation space bias acceleration (acceleration generated in the operation space when no external force is applied), and is expressed by the following equation.

Figure 0004736771
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また、上式(2)中のΛ-1は操作空間慣性逆行列と呼ばれる行列であり、下式に示すように、操作空間慣性逆行列は、任意部位における力と加速度を関連付ける行列であり、力制御、力学シミュレーション、コンピュータ・アニメーション、姿勢編集、外力推定など、多くの分野への応用を可能にする重要な物理量である。 Further, Λ −1 in the above equation (2) is a matrix called an operation space inertia inverse matrix, and as shown in the following equation, the operation space inertia inverse matrix is a matrix that associates force and acceleration at an arbitrary part, It is an important physical quantity that enables applications in many fields, such as force control, dynamic simulation, computer animation, posture editing, and external force estimation.

Figure 0004736771
Figure 0004736771

上式(2)において、右辺から左辺を得ることを考えると、外力や一般化力、重力、速度積に関連する力(コリオリ力など)が作用したときの操作空間における加速度を求める問題と見ることができる。操作空間における加速度を求める点が通常の順動力学計算と異なるが、一種の順動力学演算と捉えることができる。順動力学演算FWDは、リンク構造物の力学モデルとしての関節モデル並びに各関節の速度、一般化力としての関節トルクτ、重力g、並びに外力fをパラメータに持ち、下式(5)のように表現することができる。但し、gは重力加速度である。   In the above equation (2), considering that the left side is obtained from the right side, it is regarded as a problem for obtaining acceleration in the operation space when external force, generalized force, gravity, force related to velocity product (Coriolis force, etc.) is applied. be able to. Although the point which calculates | requires the acceleration in operation space differs from normal forward dynamics calculation, it can be regarded as a kind of forward dynamics calculation. The forward dynamics calculation FWD has a joint model as a dynamic model of a link structure and the speed of each joint, joint torque τ as a generalized force, gravity g, and external force f as parameters. Can be expressed in However, g is a gravitational acceleration.

Figure 0004736771
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この順動力学演算FWDによれば、リンク構造物の力学モデルに相当する一般化変数qと、一般化力τ、重力g、外力fといったリンク構造物に作用する力情報から、リンク構造物の各点に発生する加速度を得ることができる。ここで、上式(5)において、順動力学演算FWDの入力パラメータのうち一般化変数q及び外力f以外をすべて0とする制約条件下では、重力、関節力、速度積に関連する力(コリオリ力など)が発生しない状況において操作空間に発生する加速度を求めることができる。すなわち、式(3)においてバイアス加速度c=0とすることができる。さらに、f=ei、すなわち、i番目の操作空間にのみ単位外力を作用させる条件下で計算を実行すると、操作空間慣性逆行列Λ-1の第i列を求めることができることが分る。よって、下式(6)の演算をすべての行iについて実行すれば操作空間慣性逆行列Λ-1全体を得ることができる。 According to this forward dynamics calculation FWD, from the generalized variable q corresponding to the dynamic model of the link structure and force information acting on the link structure such as the generalized force τ, gravity g, and external force f, the link structure The acceleration generated at each point can be obtained. Here, in the above equation (5), under the constraint conditions in which all of the input parameters of the forward dynamics calculation FWD except for the generalized variable q and the external force f are 0, the force related to gravity, joint force, and velocity product ( The acceleration generated in the operation space in a situation where no Coriolis force or the like is generated can be obtained. That is, the bias acceleration c = 0 in the equation (3). Furthermore, it is understood that the i-th column of the operation space inertial inverse matrix Λ −1 can be obtained by executing the calculation under the condition that f = e i , that is, the unit external force is applied only to the i-th operation space. Therefore, if the operation of the following equation (6) is executed for all rows i, the entire operation space inertial inverse matrix Λ −1 can be obtained.

Figure 0004736771
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また、上式( 5)の順動力学演算FWDを外力f=0とし、関節に発生する力及び関節の速度、重力のみが作用するという制約条件下で実行することで、下式(7)に示すように操作空間バイアス加速度cを抽出することができる。   Further, by executing the forward dynamics calculation FWD of the above equation (5) with the external force f = 0 and executing it under the constraint condition that only the force generated at the joint, the velocity of the joint, and gravity act, the following equation (7) The operation space bias acceleration c can be extracted as shown in FIG.

Figure 0004736771
Figure 0004736771

要するに、上式(6)及び(7)を併せて、力学モデルとしての一般化変数qを用いて順動力学演算FWDを実行することにより、操作空間における重要な物理量である操作空間慣性逆行列Λ-1と操作空間バイアス加速度cを求めることができる訳である。 In short, by combining the above formulas (6) and (7) and executing the forward dynamics calculation FWD using the generalized variable q as a dynamic model, the operation space inertia inverse matrix which is an important physical quantity in the operation space. That is, Λ −1 and the operation space bias acceleration c can be obtained.

上述した操作空間慣性逆行列の算出方法は、仮想環境内に複数のオブジェクトが共存し、それらの間の衝突や接触といった物理的なインタラクョンを計算機上で再現する力学シミュレーションを実時間で実行したり、その中のオブジェクトを操作したりする場合に有効である。力学シミュレーションの力学演算は、順動力学演算FWDに対し、物体間の力を外力として作用させることで実行することができる。   The calculation method of the inverse operation space inertia matrix described above is based on the fact that multiple objects coexist in a virtual environment and a physical simulation such as collision and contact between them is reproduced on a computer in real time. This is effective when manipulating the objects inside. The dynamic calculation of the dynamic simulation can be executed by applying a force between the objects as an external force to the forward dynamic calculation FWD.

図4には、物体間で衝突や接触といった物理的相互作用が印加されている様子を例示している。図4(A)では、同図中(a)及び(b)で示す箇所において仮想物体間の衝突が検出されるが、その際の外力は、物体間に指定した反発係数の反発と、適切な摩擦が実現するように、下式(8)〜(10)に示す線形相補性問題を解いて決定することができる。   FIG. 4 illustrates a state in which physical interaction such as collision and contact is applied between objects. In FIG. 4 (A), collisions between virtual objects are detected at the locations indicated by (a) and (b) in the same figure, but the external force at that time is the repulsion of the restitution coefficient specified between the objects and appropriate Therefore, it can be determined by solving the linear complementarity problem expressed by the following equations (8) to (10) so as to realize a proper friction.

Figure 0004736771
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ここで、上式(9)及び(10)中でそれぞれ存在するfNi及びfFiは、オブジェクトが外界との接触に関する拘束による作用点iにおける法線方向の外力及び摩擦力を表す。μiは当該作用点における摩擦係数である。 Here, f Ni and f Fi existing in the above formulas (9) and (10) respectively represent an external force and a frictional force in the normal direction at the point of action i due to the constraint on the contact of the object with the outside world. μ i is the coefficient of friction at the point of action.

上式(8)〜(10)は線形相補性問題と呼ばれる。そして、操作空間慣性逆行列Λ-1及びバイアス加速度cが既知であれば、この線形相補性問題を解くことによって、これらを満足するxの加速度及び力fを決定することができる。線形相補性問題の数学的な解法自体については、例えば“FastContact Force Computation for Nonpenetrating Rigid Bodies”(SIGGRAPH94,pp.23−34,1994)に記載されているので、ここでは説明を省略する。 The above equations (8) to (10) are called linear complementarity problems. If the operation space inertia inverse matrix Λ −1 and the bias acceleration c are known, by solving this linear complementarity problem, the x acceleration and force f satisfying these can be determined. Since the mathematical solution itself of the linear complementarity problem is described in, for example, “Fast Contact Force Computation for Non-Penetic Rigid Bodies” (SIGGRAPH 94, pp. 23-34, 1994), description thereof is omitted here.

オブジェクトが衝突する部位(a)及び(b)に垂直反力及び摩擦力の作用方向に操作空間を設定し、これまで説明してきた方法により操作空間慣性逆行列Λ-1及びバイアス加速度cを高速に算出すれば、短時間で精密にこの外力を得ることができる。したがって、複雑な環境であってもリアルタイムで精緻な力学シミュレーションを実行することが可能となる。 An operation space is set in the direction of action of the vertical reaction force and friction force at the parts (a) and (b) where the object collides, and the operation space inertia inverse matrix Λ −1 and the bias acceleration c are increased at high speed by the method described so far. This external force can be obtained accurately in a short time. Therefore, it is possible to execute precise dynamic simulation in real time even in a complicated environment.

また、図4(B)には、このような実時間力学シミュレーション環境に対し、ハプティック・デバイスD1を接続し、ハプティック・デバイスD1の先端の位置に基づいて仮想環境内のオブジェクトP1(プロキシ)の位置を変更するとともに、オブジェクトP1に作用した力をハプティック・デバイスD1にフィードバックするように構成した例を示している。   In FIG. 4B, a haptic device D1 is connected to such a real-time dynamic simulation environment, and the object P1 (proxy) in the virtual environment is based on the position of the tip of the haptic device D1. In the example, the position is changed and the force applied to the object P1 is fed back to the haptic device D1.

この場合、オブジェクトP1の位置がハプティック・デバイスD1の指令位置に一致するように、その相対位置偏差に関して操作空間(c)を設定する。また、図4(A)に示した例と同様に、オブジェクトP1と他オブジェクトとの衝突に関して垂直反力及び摩擦力の作用方向に操作空間(d)を設定する。これらの拘束も上式(8)〜(10)で示される線形相補性問題として定式化される。この構成で計算量が最も多い操作空間逆行列Λ-1も、本実施形態に係る方法であれば実時間で算出可能となり、仮想環境内の物体に触れた感じを、ハプティック・デバイスD1上でリアルタイムに且つ精密に再現することが可能となる。 In this case, the operation space (c) is set with respect to the relative position deviation so that the position of the object P1 matches the command position of the haptic device D1. Similarly to the example shown in FIG. 4A, the operation space (d) is set in the acting direction of the vertical reaction force and the frictional force with respect to the collision between the object P1 and another object. These constraints are also formulated as linear complementarity problems expressed by the above equations (8) to (10). The operation space inverse matrix Λ −1 having the largest amount of calculation in this configuration can be calculated in real time by the method according to the present embodiment, and the feeling of touching an object in the virtual environment can be expressed on the haptic device D1. It becomes possible to reproduce in real time and precisely.

また、図4(C)には、同図(B)に示した構成に加え、仮想空間内のオブジェクト(例えば人型キャラクタ)のさまざまな位置に、位置や姿勢に関する拘束(L1〜L4)を課せるようにした構成を示している。   Further, in FIG. 4C, in addition to the configuration shown in FIG. 4B, constraints (L1 to L4) regarding positions and postures are provided at various positions of an object (for example, a humanoid character) in the virtual space. It shows the configuration that can be imposed.

位置や姿勢の拘束は式(8)に示したような等式条件で表現することができる。操作空間は、位置や姿勢の拘束を設定する位置にワールド座標系と並行な3方向を設定すればよい。また、このような位置や姿勢に関する拘束をオブジェクトP2と物体間の相対位置及び姿勢に適用し、ここに操作空間(e)を設定することで、ハプティック・デバイスD2を用いて仮想空間内の物体の所定の位置を引っ張ったり捩じったりして、そのときにオブジェクトP2に作用する力をハプティック・デバイスD2にフィードバックすることにより、仮想環境内で引っ張ったり捩じったりした反力を精緻に感じとることもできる。   Position and posture constraints can be expressed by equation conditions as shown in equation (8). The operation space may be set in three directions parallel to the world coordinate system at positions where position and posture constraints are set. Further, by applying such constraints on the position and orientation to the relative position and orientation between the object P2 and the object, and setting the operation space (e) here, the object in the virtual space is used by using the haptic device D2. By pulling or twisting a predetermined position of the object and feeding back the force acting on the object P2 to the haptic device D2, the reaction force pulled or twisted in the virtual environment is precisely You can also feel it.

これらの問題も操作空間を用いて定式化することができ、上式(8)〜(10)で示される線形相補性問題に還元される。図4(C)に示した構成でも計算量の最も多い箇所は操作空間逆行列Λ-1の算出部分となるが、上述した算出方法によれば実時間でも算出可能となる。したがって、例えばユーザは、実際の物体を触れて姿勢を編集するのと同様の力をリアルタイムに感じながら、キャラクタの運動制御や姿勢編集などを行なうことができるようになる。また、このような力ベースの姿勢編集により、逆キネマティクスによく見られる特異点付近での不安定な挙動も除去することができる。 These problems can also be formulated using the operation space and reduced to the linear complementarity problem expressed by the above equations (8) to (10). In the configuration shown in FIG. 4C, the portion with the largest amount of calculation is a calculation portion of the operation space inverse matrix Λ −1 , but according to the calculation method described above, calculation can be performed in real time. Therefore, for example, the user can perform motion control, posture editing, and the like of the character while feeling in real time the same force as touching an actual object to edit the posture. In addition, such force-based posture editing can also remove the unstable behavior near the singularity often seen in inverse kinematics.

力学量に基づく効果音の自動生成
本実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100では、力学シミュレーションの結果から、効果音の振動波形を包絡するエンベロープ波形を構成し、衝突するオブジェクトが持つ固有振動波形と合成することにより、物理的根拠を備えたリアルな効果音を生成する。ここでは、その算出方法について詳解する。
Automatic generation of sound effects based on mechanical quantities In the three-dimensional virtual space presentation device 100 according to the present embodiment, an envelope waveform that envelops the vibration waveform of the sound effects is formed from the result of the dynamic simulation, and the natural vibration of the colliding object has By combining with the waveform, a realistic sound effect with a physical basis is generated. Here, the calculation method will be described in detail.

衝突検出部22は、3次元オブジェクト・データ内で発生するオブジェクトの衝突を検出するとともに、オブジェクト表面の衝突点集合を算出する。また、衝突力算出部23は、衝突検出部22で算出された各衝突iにおいて作用する衝突力を、力学シミュレーションを応用して算出する(上述)。   The collision detection unit 22 detects an object collision occurring in the three-dimensional object data and calculates a set of collision points on the object surface. Further, the collision force calculation unit 23 calculates the collision force acting on each collision i calculated by the collision detection unit 22 by applying a dynamic simulation (described above).

エンベロープ波形算出部24は、衝突検出部22で検出された各衝突iに関して、衝突力算出部23で得られた物理量に応じて、効果音のエンベロープ波形を算出する。衝突iが時刻t=0に発生したとすると、この衝突によって生じる音のエンベロープ波形Ei(t)は、以下のようなインパルス波形として表現できると考えられる。 The envelope waveform calculation unit 24 calculates the envelope waveform of the sound effect for each collision i detected by the collision detection unit 22 according to the physical quantity obtained by the collision force calculation unit 23. If the collision i occurs at time t = 0, the envelope waveform E i (t) of the sound generated by this collision can be expressed as the following impulse waveform.

Figure 0004736771
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上式において、E0iは衝突iが発生する音の立ち上がり音量であり、エンベロープ波形算出部24は、この値を衝突力算出部23が算出した衝突の大きさに応じて決定することで、衝突若しくは接触に伴う効果音のリアリティを向上させることができる。また、λiは音の減衰具合を表すパラメータであり、3次元オブジェクト・データの振動属性(前述)として記憶されている。そして、衝突iを生じた2物体の減衰パラメータをλ1i、λ2iとすると、衝突iの減衰パラメータはその平均として下式のように見積もることができる。 In the above equation, E 0i is the rising volume of the sound at which the collision i occurs, and the envelope waveform calculation unit 24 determines this value according to the magnitude of the collision calculated by the collision force calculation unit 23, thereby Or the reality of the sound effect accompanying a contact can be improved. Further, λ i is a parameter representing the sound attenuation level, and is stored as a vibration attribute (described above) of the three-dimensional object data. Then, assuming that the attenuation parameters of the two objects that have caused the collision i are λ 1i and λ 2i , the attenuation parameter of the collision i can be estimated as an average of the following equation.

Figure 0004736771
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また、衝突によって発生する音の大小は、衝突力の大きさと密接な関係がある。よって、下式に示すように、衝突iで発生した衝突力fiに対して適当なゲインKiを乗じた値などを立ち上がり音量として設定することができる。 Also, the magnitude of the sound generated by the collision is closely related to the magnitude of the collision force. Therefore, as shown in the following equation, a value obtained by multiplying the collision force f i generated by the collision i by an appropriate gain K i can be set as the rising volume.

Figure 0004736771
Figure 0004736771

固有振動波形設定部25は、各衝突iに関する固有振動波形を設定する。各々のオブジェクトの固有振動波形はオブジェクトの発する音色に相当する。衝突iを生じた2物体の固有振動波形をそれぞれI1i(t)、I2i(t)とすると、衝突iが発生する固有振動波形Ii(t)はその平均として、下式に示すように見積もることができる。 The natural vibration waveform setting unit 25 sets a natural vibration waveform for each collision i. The natural vibration waveform of each object corresponds to the timbre emitted by the object. Assuming that the natural vibration waveforms of the two objects that have caused the collision i are I 1i (t) and I 2i (t), respectively, the natural vibration waveform I i (t) at which the collision i is generated is expressed as the following equation. Can be estimated.

Figure 0004736771
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衝突iに関する発生音はエンベロープ波形Ei(t)と固有振動波形Ii(t)によって決定される。上式に示した固有振動波形Ii(t)が正規化されているとすると、衝突iが発生する音波Si(t)は下式の通りとなる。 The sound generated for the collision i is determined by the envelope waveform E i (t) and the natural vibration waveform I i (t). Assuming that the natural vibration waveform I i (t) shown in the above equation is normalized, the sound wave S i (t) generated by the collision i is expressed by the following equation.

Figure 0004736771
Figure 0004736771

本実施形態では、エンベロープ波形Ei(t)と固有振動波形Ii(t)の組は仮想空間内でのオブジェクトの衝突により発生する音を構成する発生音情報として扱われ、発生音リスト管理部26は、逐次得られる発生音情報を過去音として過去発生音リストに登録する。 In the present embodiment, a set of envelope waveform E i (t) and natural vibration waveform I i (t) is treated as generated sound information constituting sound generated by collision of objects in virtual space, and generated sound list management is performed. The unit 26 registers the generated sound information obtained sequentially as a past sound in the past generated sound list.

時刻tにおける音S(t)は、過去に生じたすべての衝突のインパルス応答の和と考えることができる。図5には、個々の衝突のインパルス応答を時間軸上で合成した様子を示している。すなわち、衝突iが発生してからtiだけ時間が経過しているとすると、音S(t)は下式のように表される。 The sound S (t) at time t can be considered as the sum of impulse responses of all collisions that have occurred in the past. FIG. 5 shows a state in which impulse responses of individual collisions are synthesized on the time axis. That is, if time t i has elapsed since the occurrence of the collision i, the sound S (t) is expressed by the following equation.

Figure 0004736771
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実際には、オブジェクトの衝突からの時間の経過とともに衝突音の音量はエンベロープ波形に従って減少していき、やがて聞き取れなくなる。すなわち、すべての過去の時刻を遡る必要はなく、現時刻の音に実質的に影響を与え得る、有限時間分の衝突に関して上式(16)を算出すればよい。このため、発生音リスト管理部26は、過去発生音のうちエンベロープ波形が十分に減衰したものを除外する処理を行なう。そして、発生音合成部27は、過去発生音リストに登録されている各発生音情報に基づいてエンベロープ波形と固有振動波形の合成を行なうことで、すべてのオブジェクト衝突に伴う発生音を求めた後、これらすべての発生音を時間軸上で重ね合わせ、現時刻における3次元仮想空間内の発生音を算出する。   Actually, the sound volume of the collision sound decreases according to the envelope waveform as time elapses from the collision of the object, and becomes unintelligible eventually. That is, it is not necessary to go back all past times, and the above equation (16) may be calculated for a finite time collision that can substantially affect the sound at the current time. For this reason, the generated sound list management unit 26 performs a process of excluding those in which the envelope waveform is sufficiently attenuated among the previously generated sounds. Then, the generated sound synthesizer 27 synthesizes the envelope waveform and the natural vibration waveform based on each generated sound information registered in the past generated sound list, thereby obtaining the generated sound associated with all object collisions. All these generated sounds are superimposed on the time axis, and the generated sound in the three-dimensional virtual space at the current time is calculated.

以上の手順で仮想3次元空間の効果音を生成することにより、衝突音や摩擦音といった効果音を、質感も含めてリアルに提示することが可能となる。さらに、すべてのオブジェクトの振動属性が同一のときには、式(16)を以下のような漸化式に簡略化することができる。ここでΔtは本演算の実行周期を表す。   By generating sound effects in the virtual three-dimensional space by the above procedure, sound effects such as collision sounds and friction sounds can be presented realistically including the texture. Furthermore, when the vibration attributes of all the objects are the same, Expression (16) can be simplified to the following recurrence expression. Here, Δt represents the execution cycle of this calculation.

Figure 0004736771
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よって,同一の振動属性を呈する衝突毎に上式(17)を実行することで、式(16)に比較して計算量を低減するように構成することができる。   Therefore, by executing the above equation (17) for each collision exhibiting the same vibration attribute, the calculation amount can be reduced as compared with the equation (16).

図6には、本実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100において、オブジェクトの衝突や接触などにより生じる効果音を合成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。この処理手順は、CPU101が所定のプログラムを実行するという形態で実現される。   FIG. 6 shows a processing procedure for synthesizing a sound effect generated by collision or contact of an object in the 3D virtual space presentation device 100 according to the present embodiment in the form of a flowchart. This processing procedure is realized in a form in which the CPU 101 executes a predetermined program.

まず、衝突検出部22により、3次元オブジェクト・データ内の各オブジェクトの衝突を検出し、衝突点集合を算出する(ステップS1)。   First, the collision detection unit 22 detects a collision of each object in the three-dimensional object data, and calculates a collision point set (step S1).

続いて、衝突力算出部23により、すべての衝突点に作用する外力を算出する(ステップS2)。   Subsequently, the external force acting on all the collision points is calculated by the collision force calculation unit 23 (step S2).

続いて、順動力学演算部21により、順動力学演算を実行し、時刻を微小時刻だけ進行して、3次元オブジェクトの位置や姿勢を更新する(ステップS3)。   Subsequently, the forward dynamics calculation unit 21 executes forward dynamics calculation, advances the time by a minute time, and updates the position and orientation of the three-dimensional object (step S3).

エンベロープ波形算出部24では、各衝突に対して発生する衝突音のエンベロープ波形を設定する(ステップS4)。エンベロープ波形の立ち上がり値は式(13)で、その減衰特性は式(12)でそれぞれ与えられる。その双方の値を、エンベロープ波形を規定するパラメータとして記憶する。   The envelope waveform calculation unit 24 sets an envelope waveform of a collision sound generated for each collision (step S4). The rise value of the envelope waveform is given by equation (13), and its attenuation characteristic is given by equation (12). Both values are stored as parameters defining the envelope waveform.

固有振動波形設定部25では、各衝突に対して発生する衝突音の固有振動波形を設定する(ステップS5)。2個のオブジェクト間の衝突で発生する衝突音の固有振動波形は式(14)によって与えられるので、3次元オブジェクト・データ内で該当する2個のオブジェクトのそれぞれの振動属性に記憶されている固有振動波形へのポインタを記憶しておく。   The natural vibration waveform setting unit 25 sets the natural vibration waveform of the collision sound generated for each collision (step S5). Since the natural vibration waveform of the collision sound generated by the collision between the two objects is given by Expression (14), the natural vibration waveform stored in the vibration attribute of each of the two corresponding objects in the three-dimensional object data is stored. A pointer to the vibration waveform is stored.

続いて、ステップS4及びS5でそれぞれ記憶されていた発生音情報を構造体として格納し、発生音情報として過去発生音リストに登録する(ステップS6)。   Subsequently, the generated sound information stored in steps S4 and S5 is stored as a structure, and is registered in the past generated sound list as generated sound information (step S6).

ステップS4〜S6の処理は、ステップS1で衝突検出部22により検出されたすべての衝突点に対して実行される。   The processes in steps S4 to S6 are executed for all the collision points detected by the collision detection unit 22 in step S1.

続いて、過去発生音リストに登録されている発生音情報のうち、現時刻におけるエンベロープ波形の値が十分小さな閾値よりも小さくなったものを、過去発生音リストから除外する処理を行なう(ステップS7)。これにより、現在の音に影響を与える発生音のみが以下の効果音生成処理に反映されるようになる。   Subsequently, among the generated sound information registered in the past generated sound list, processing for excluding from the past generated sound list those whose envelope waveform value at the current time is smaller than a sufficiently small threshold (step S7). ). As a result, only the generated sound that affects the current sound is reflected in the following sound effect generation process.

続いて、発生音合成部27により、上式(16)に基づいて、過去音のエンベロープ波形Ei(t)と固有振動波形Ii(t)の合成、及びすべての過去音Si(t)の重ね合わせの計算を行ない、現在の発生音を算出する(ステップS8)。 Subsequently, the generated sound synthesizer 27 synthesizes the envelope waveform E i (t) and the natural vibration waveform I i (t) of the past sound and all the past sounds S i (t) based on the above equation (16). ) To calculate the current generated sound (step S8).

そして、ステップS8により算出された音をサウンド出力部28においてスピーカ104の駆動信号に変換し、スピーカ104から出力する(ステップS9)。   The sound calculated in step S8 is converted into a driving signal for the speaker 104 in the sound output unit 28 and output from the speaker 104 (step S9).

以上、ステップS1〜S9の処理を繰り返すことで、力学シミュレーション結果に基づいた、リアリティのある効果音生成が可能となる。   As described above, by repeating the processes of steps S1 to S9, it is possible to generate a realistic sound effect based on the dynamic simulation result.

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.

本明細書では、3次元仮想空間におけるオブジェクト間の衝突やその他の物理的なインタラクションを、力学シミュレーションを用いて算出し、得られた力学量に基づいてリアルな効果音を生成するという実施形態を中心に説明してきた。しかしながら、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、物理的なインタラクションが生じた物体の動きや触感などに関しても、力学シミュレーションから得られる力学量に基づいて、同様にユーザへのリアルなフィードバックをリアルタイムで実現することができる。   In this specification, an embodiment in which a collision between objects in a three-dimensional virtual space and other physical interactions are calculated using a dynamic simulation, and a realistic sound effect is generated based on the obtained dynamic quantity. I have explained to the center. However, the gist of the present invention is not limited to this, and the movement and tactile sensation of an object in which physical interaction has occurred are similarly realistic to the user based on the mechanical quantity obtained from the dynamic simulation. Feedback can be realized in real time.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims should be taken into consideration.

図1は、本発明の一実施形態に係る3次元仮想空間提示装置100のハードウェア構成を模式的に示した図である。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a hardware configuration of a three-dimensional virtual space presentation device 100 according to an embodiment of the present invention. 図2は、CPU101上で実行される、音に関する情報を算出するためのプログラムの機能的構成を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a functional configuration of a program for calculating information related to sound, which is executed on the CPU 101. 図3は、オブジェクトの固有振動波形とエンベロープ波形を合成した波形が、衝突したオブジェクトから発される衝突音となる仕組みを説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a mechanism in which a waveform obtained by synthesizing a natural vibration waveform and an envelope waveform of an object becomes a collision sound emitted from the collided object. 図4は、物体間で衝突や接触といった物理的相互作用が印加されている様子を例示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which physical interaction such as collision or contact is applied between objects. 図5は、個々の衝突のインパルス応答を時間軸上で合成した様子を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing a state in which impulse responses of individual collisions are synthesized on the time axis. 図6は、オブジェクトの衝突や接触などにより生じる効果音を合成するための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure for synthesizing a sound effect generated by collision or contact of an object.

符号の説明Explanation of symbols

100…3次元仮想空間提示装置
101…CPU
102…RAM
103…ROM
104…スピーカ
105…ディスプレイ
106…ハプティクス・デバイス
21…順運動学演算部
22…衝突検出部
23…衝突力算出部
24…エンベロープ波形算出部
25…固有振動波形設定部
26…発生音リスト管理部
27…発生音合成部
28…サウンド出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Three-dimensional virtual space presentation apparatus 101 ... CPU
102 ... RAM
103 ... ROM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 104 ... Speaker 105 ... Display 106 ... Haptic device 21 ... Forward kinematics calculation part 22 ... Collision detection part 23 ... Collision force calculation part 24 ... Envelope waveform calculation part 25 ... Natural vibration waveform setting part 26 ... Generated sound list management part 27 ... Sound synthesis unit 28 ... Sound output unit

Claims (12)

複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成する効果音生成装置であって、
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出手段と、
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出手段と、
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成手段と、
を具備し、
前記力学量算出手段は、
物理的なインタラクションによる外力に基づいてオブジェクトに発生する加速度を得るための順動力学演算を実行する順動力学演算手段と、
前記力学モデルを用いて前記順動力学演算手段による順動力学演算を実行させることにより、操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を求める操作空間物理量算出手段を備え、
操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて記述される操作空間の加速度と力との関係式と、オブジェクト間で物理的相互作用が働いたときに課せられる拘束条件からなる線形相補性問題を満足する加速度と力を、前記操作空間物理量算出手段により求められた操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて求め、得られた力に基づいてオブジェクトに働く力学量を算出する、
ことを特徴とする効果音生成装置。
A sound effect generator for generating sound effects associated with physical interaction between objects in a virtual space where a plurality of virtual objects coexist,
Interaction detecting means for detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
A dynamic quantity calculating means for calculating a dynamic quantity acting on the object by the interaction using a dynamic model that determines the behavior between the objects in which the physical interaction works based on physics;
Using the calculated mechanical quantity, a sound effect generating means for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction;
Comprising
The mechanical quantity calculating means includes
Forward dynamics calculation means for executing forward dynamics calculation for obtaining acceleration generated in the object based on external force by physical interaction;
An operation space physical quantity calculation means for obtaining an operation space inertia inverse matrix and an operation space bias acceleration by executing a forward dynamics calculation by the forward dynamics calculation means using the dynamic model,
Linear complementarity problem consisting of relations between the acceleration and force of the operation space described using the inverse operation space inertia matrix and the operation space bias acceleration, and the constraints imposed when the physical interaction between objects works Is calculated using the operation space inertia inverse matrix and the operation space bias acceleration obtained by the operation space physical quantity calculation means, and calculates the mechanical quantity acting on the object based on the obtained force.
A sound effect generator characterized by the above.
複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成する効果音生成装置であって、
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出手段と、
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出手段と、
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成手段と、
各オブジェクトが持つ効果音の減衰特性や固有振動波形を含む振動属性に関するデータを保持する3次元オブジェクト・データ保持手段と、
を具備し、
前記効果音生成手段は、物理的なインタラクションが働いた各オブジェクトが持つ減衰特性に基づいて音響の振動波形を包絡するエンベロープ波形に減衰特性を付与し、エンベロープ波形に各オブジェクトが持つ固有振動波形を合成して効果音を算出する、
ことを特徴とする効果音生成装置。
A sound effect generator for generating sound effects associated with physical interaction between objects in a virtual space where a plurality of virtual objects coexist,
Interaction detecting means for detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
A dynamic quantity calculating means for calculating a dynamic quantity acting on the object by the interaction using a dynamic model that determines the behavior between the objects in which the physical interaction works based on physics;
Using the calculated mechanical quantity, a sound effect generating means for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction;
Three-dimensional object data holding means for holding data relating to vibration attributes including the attenuation characteristics of sound effects and natural vibration waveforms possessed by each object;
Comprising
The sound effect generating means assigns an attenuation characteristic to the envelope waveform that envelops the acoustic vibration waveform based on the attenuation characteristic of each object that has undergone physical interaction, and the natural vibration waveform that each object has to the envelope waveform. Calculate the sound effect by synthesizing,
A sound effect generator characterized by the above.
物理的なインタラクション毎に生成された各効果音の情報を過去音として登録する発生音リスト管理部を備え、
前記発生音リスト管理部に登録されている過去音を時間軸上で和をとって、現在時刻における仮想空間上の音響を算出する、
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の効果音生成装置。
A sound generation list management unit for registering information of each sound effect generated for each physical interaction as a past sound,
Summing the past sounds registered in the generated sound list management unit on the time axis to calculate the sound in the virtual space at the current time,
Sound effect generating apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that.
前記発生音リスト管理部は、十分に減衰した過去音を発生音リストから除外する処理を行なう、
ことを特徴とする請求項に記載の効果音生成装置。
The generated sound list management unit performs a process of excluding sufficiently attenuated past sounds from the generated sound list.
The sound effect generator according to claim 3 .
物理的なインタラクションとして、仮想空間内におけるオブジェクト同士の衝突又は接触を扱い、
前記力学量算出手段は、物理的なインタラクションによりオブジェクトに作用する力学量として、衝突力、速度、加速度、力積、又はエネルギのうち少なくとも1つを算出する、
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の効果音生成装置。
Treat physical objects as collisions or touches between objects in virtual space,
The mechanical quantity calculation means calculates at least one of a collision force, velocity, acceleration, impulse, or energy as a mechanical quantity acting on the object by physical interaction.
Sound effect generating apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that.
複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成する効果音生成方法であって、A sound effect generation method for generating a sound effect associated with a physical interaction between objects in a virtual space where a plurality of virtual objects coexist,
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出ステップと、An interaction detection step of detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出ステップと、A dynamic quantity calculation step for calculating a dynamic quantity acting on the object by the interaction using a dynamic model that determines the behavior between the objects in which the physical interaction works based on physics;
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成ステップと、A sound effect generation step for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction using the calculated mechanical quantity;
を有し、Have
前記力学量算出ステップは、The mechanical quantity calculating step includes:
物理的なインタラクションによる外力に基づいてオブジェクトに発生する加速度を得るための順動力学演算を実行する順動力学演算ステップと、A forward dynamics computation step for performing forward dynamics computation to obtain acceleration generated in the object based on external force due to physical interaction;
前記力学モデルを用いて前記順動力学演算ステップによる順動力学演算を実行させることにより、操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を求める操作空間物理量算出ステップを有し、An operation space physical quantity calculation step for obtaining an operation space inertia inverse matrix and an operation space bias acceleration by executing a forward dynamics calculation by the forward dynamics calculation step using the dynamic model;
操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて記述される操作空間の加速度と力との関係式と、オブジェクト間で物理的相互作用が働いたときに課せられる拘束条件からなる線形相補性問題を満足する加速度と力を、前記操作空間物理量算出ステップにより求められた操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて求め、得られた力に基づいてオブジェクトに働く力学量を算出する、Linear complementarity problem consisting of relations between the acceleration and force of the operation space described using the inverse operation space inertia matrix and the operation space bias acceleration, and the constraints imposed when the physical interaction between objects works Is calculated using the operation space inertia inverse matrix and the operation space bias acceleration obtained by the operation space physical quantity calculation step, and calculates the mechanical quantity acting on the object based on the obtained force.
ことを特徴とする効果音生成方法。A sound effect generation method characterized by the above.
複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成する効果音生成方法であって、A sound effect generation method for generating a sound effect associated with a physical interaction between objects in a virtual space where a plurality of virtual objects coexist,
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出ステップと、An interaction detection step of detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出ステップと、A dynamic quantity calculation step for calculating a dynamic quantity acting on the object by the interaction using a dynamic model that determines the behavior between the objects in which the physical interaction works based on physics;
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成ステップと、A sound effect generation step for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction using the calculated mechanical quantity;
各オブジェクトが持つ効果音の減衰特性や固有振動波形を含む振動属性に関するデータを保持する3次元オブジェクト・データ保持ステップと、A three-dimensional object data holding step for holding data relating to vibration attributes including sound effect attenuation characteristics and natural vibration waveforms of each object;
を有し、Have
前記効果音生成ステップでは、物理的なインタラクションが働いた各オブジェクトが持つ減衰特性に基づいて音響の振動波形を包絡するエンベロープ波形に減衰特性を付与し、エンベロープ波形に各オブジェクトが持つ固有振動波形を合成して効果音を算出する、In the sound effect generation step, an attenuation characteristic is imparted to an envelope waveform that envelops an acoustic vibration waveform based on the attenuation characteristic of each object that has undergone physical interaction, and the natural vibration waveform of each object is included in the envelope waveform. Calculate the sound effect by synthesizing,
ことを特徴とする効果音生成方法。A sound effect generation method characterized by the above.
物理的なインタラクション毎に生成された各効果音の情報を過去音として登録する発生音リスト管理ステップを有し、
発生音リストとして登録されている過去音を時間軸上で和をとって、現在時刻における仮想空間上の音響を算出する、
ことを特徴とする請求項6又は7のいずれかに記載の効果音生成方法。
A generated sound list management step of registering information of each sound effect generated for each physical interaction as a past sound,
Sum the past sounds registered as the generated sound list on the time axis to calculate the sound in the virtual space at the current time,
The sound effect generation method according to claim 6, wherein the sound effect is generated.
十分に減衰した過去音を前記の発生音リストから除外する処理を行なう、
ことを特徴とする請求項8に記載の効果音生成方法。
A process of excluding sufficiently attenuated past sounds from the generated sound list,
The sound effect generation method according to claim 8.
物理的なインタラクションとして、仮想空間内におけるオブジェクト同士の衝突又は接触を扱い、
前記力学量算出ステップでは、物理的なインタラクションによりオブジェクトに作用する力学量として、衝突力、速度、加速度、力積、又はエネルギのうち少なくとも1つを算出する、
ことを特徴とする請求項6又は7のいずれかに記載の効果音生成方法。
Treat physical objects as collisions or touches between objects in virtual space,
In the mechanical quantity calculating step, as a mechanical quantity acting on the object by physical interaction, at least one of collision force, velocity, acceleration, impulse, or energy is calculated.
The sound effect generation method according to claim 6, wherein the sound effect is generated.
複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成するための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータを、A computer program written in a computer-readable format so as to execute a process for generating a sound effect associated with a physical interaction between objects in a virtual space in which a plurality of virtual objects coexist, The computer,
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出手段、Interaction detecting means for detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出手段、A mechanical quantity calculating means for calculating a mechanical quantity acting on an object by interaction using a dynamic model that determines a behavior between objects in which physical interaction works based on physics;
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成手段、A sound effect generating means for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction, using the calculated mechanical quantity;
として機能させ、Function as
前記力学量算出手段は、The mechanical quantity calculating means includes
物理的なインタラクションによる外力に基づいてオブジェクトに発生する加速度を得るための順動力学演算を実行する順動力学演算手段と、Forward dynamics calculation means for executing forward dynamics calculation for obtaining acceleration generated in the object based on external force by physical interaction;
前記力学モデルを用いて前記順動力学演算手段による順動力学演算を実行させることにより、操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を求める操作空間物理量算出手段を備え、An operation space physical quantity calculation means for obtaining an operation space inertia inverse matrix and an operation space bias acceleration by executing a forward dynamics calculation by the forward dynamics calculation means using the dynamic model,
操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて記述される操作空間の加速度と力との関係式と、オブジェクト間で物理的相互作用が働いたときに課せられる拘束条件からなる線形相補性問題を満足する加速度と力を、前記操作空間物理量算出手段により求められた操作空間慣性逆行列及び操作空間バイアス加速度を用いて求め、得られた力に基づいてオブジェクトに働く力学量を算出する、Linear complementarity problem consisting of relations between the acceleration and force of the operation space described using the inverse operation space inertia matrix and the operation space bias acceleration, and the constraints imposed when the physical interaction between objects works Is calculated using the operation space inertia inverse matrix and the operation space bias acceleration obtained by the operation space physical quantity calculation means, and calculates the mechanical quantity acting on the object based on the obtained force.
ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。A computer program characterized by the above.
複数の仮想オブジェクトが共存する仮想空間内におけるオブジェクト間の物理的なインタラクションに伴う効果音を生成するための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータを、A computer program written in a computer-readable format so as to execute a process for generating a sound effect associated with a physical interaction between objects in a virtual space in which a plurality of virtual objects coexist, The computer,
前記仮想空間内で物理的なインタラクションが生じるオブジェクトを検出するインタラクション検出手段、Interaction detecting means for detecting an object in which physical interaction occurs in the virtual space;
物理的なインタラクションが働くオブジェクト間の挙動を物理学に基づいて決定する力学モデルを用いて、インタラクションによりオブジェクトに作用する力学量を算出する力学量算出手段、A mechanical quantity calculating means for calculating a mechanical quantity acting on an object by interaction using a dynamic model that determines a behavior between objects in which physical interaction works based on physics;
該算出された力学量を用いて、インタラクションに伴いオブジェクトに発生する効果音を生成する効果音生成手段、A sound effect generating means for generating a sound effect generated in the object in accordance with the interaction, using the calculated mechanical quantity;
各オブジェクトが持つ効果音の減衰特性や固有振動波形を含む振動属性に関するデータを保持する3次元オブジェクト・データ保持手段と、Three-dimensional object data holding means for holding data relating to vibration attributes including the attenuation characteristics of sound effects and natural vibration waveforms possessed by each object;
として機能させ、Function as
前記効果音生成手段は、物理的なインタラクションが働いた各オブジェクトが持つ減衰特性に基づいて音響の振動波形を包絡するエンベロープ波形に減衰特性を付与し、エンベロープ波形に各オブジェクトが持つ固有振動波形を合成して効果音を算出する、The sound effect generating means assigns an attenuation characteristic to the envelope waveform that envelops the acoustic vibration waveform based on the attenuation characteristic of each object that has undergone physical interaction, and the natural vibration waveform that each object has to the envelope waveform. Calculate the sound effect by synthesizing,
ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。A computer program characterized by the above.
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